チタン合金の特性開発と航空宇宙用応用

1940年代にチタンの工業化された生産以来、その高強度、良好な耐食性、非磁性、良好な溶接性能および他の利点、ならびに超伝導、記憶および他の利点のために、航空宇宙、軍事産業、海洋において広く使用されてきた。開発、石油化学、発電、超電導などの分野では、「全能金属」、「海洋金属」、「第三金属」、「現代金属」などの定評があります。チタンの優れた特性の継続的な探査により、その適用範囲はまだ拡大しており、鋼鉄とアルミニウムに次いで3番目の構造用金属になります。チタンは、国防、航空、ハイテクなどの分野で重要な役割を担っていることから、米国、ロシア、英国、フランスなどの軍事大国や日本などから高く評価され、21世紀の戦略的意義を持つ重要な構造金属として挙げられています。新しい合金、新しい溶解技術、応用技術を含むチタン科学技術の発展は、急速な変化を遂げています。中国のチタン産業は40年近く浮き沈みを経験してきました。州の支援を得て、それは大きな進歩を遂げ、独自の独立したチタン産業システムを確立しました。2000年、中国は1,751トンのチタンスポンジと2,206トンのチタン加工材を生産した。2008年、中国は49,632トンのチタンスポンジを生産し、8年間で27.3倍に増加しました。2008年、中国は27,737トンのチタン加工材を生産し、11.6倍に増加しました。倍。

チタン合金原料の高コストのために、海外のチタン材料の70%〜80%が航空および航空宇宙産業で使用されています。私の国の航空宇宙分野でのチタン合金の需要も特に大きいです。現在、私の国で開発中の先進航空機に使用されるチタン合金の割合は約10%〜12%であり、軍用機に使用されるチタンの割合は約20%〜30%高く、軍用機エンジンに使用されるチタンの割合は30%以上です。.新しいロケットやミサイルに使用されるチタンの量も増加しています。

本稿では、米国、ロシア、英国、日本、中国における航空・航空宇宙分野におけるチタンの研究と応用の進展を中心にまとめ、我が国のチタン産業の航空・航空宇宙分野における応用・発展の参考資料とすることができる。

航空機の設計概念が過去の純粋な静的強度から安全---寿命、損傷---安全性に徐々に変化し、現代の損傷公差設計コンセプトまで、高度なチタン合金材料は徐々に高い破壊靭性と低い亀裂伝播に向かっています。損傷耐性チタン合金の割合。現在、外国の先進国は、特に中強度Ti-6Al-4VERIや高強度Ti-6-222などの先進航空機への新しい損傷耐性チタン合金材料の開発と応用において最前線に立っています。それは首尾よくアメリカのF-22、F-35およびC-17のような新世代の航空機で使用された。航空機の耐用年数と戦闘効果を大幅に向上させます。航空機の設計コンセプトの開発に伴い、チタン合金構造の損傷公差設計のアイデアも私の国で注目され始めています。我が国は、「第10次5カ年計画」以降、TC4-DT中強度・高靭損傷耐性チタン合金とTC21高強度・高靭損傷耐性チタン合金を独自に開発し、耐損傷性チタン合金のβ加工を確立しました。私の国で新しい航空機を開発するための材料応用技術の基礎を築いてきた技術。航空・航空宇宙構造用チタン合金の開発ニーズに応えるため、わが国は独自に低強度・高靭線用チタン合金(NiTi)やパイプ合金(TA18)、1300MPa-2000Mpaシリーズ超高強度チタン合金(TB8、TB9、TB20)などを独自に開発し、航空機構造物に中国特性を持つ新しいチタン合金材料系を最初に形成し、 航空および航空宇宙構造用の新世代のチタン合金が確立されました。具体的な性能を表1に示す

典型的な構造用チタン合金の主な技術指標

Ti-6Al-4V(TC4)は、1960年代初頭に開発された中強度のα βチタン合金です。それは優れた包括的な特性を有し、普遍的な合金として知られています。これは、航空および航空宇宙構造のための最も古く、最も広く使用されている汎用合金です。板、棒、鍛造品などを含むチタン合金合金は良好な溶接および被削性を有し、きめの細かい合金は超塑性を有し、複雑な部品は超塑性成形/拡散接合(SPF / DB)の複合プロセスによって製造することができる。高強度構造用チタン合金は、一般に、引張強度が1000MPaを超える合金を指す。現在、国際的な先進レベルを代表し、航空機に実用化されている高強度チタン合金には、主に準安定β型合金Ti-15-3、β21S、近傍β型合金Ti-1023およびα β型二相チタン合金BT22が含まれる。航空機構造に一般的に使用される30CrMnSiA高強度構造用鋼を置き換えるために高強度構造用チタン合金を使用すると、重量を20%以上削減することができます。

Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo(TC21)は、1970年代に開発された高強度、高靭性、耐損傷性のある二相チタン合金です。熱機械処理後、合金は高強度、良好な損傷耐性および疲労亀裂成長に対する優れた耐性の利点を有し、高強度および高靭性の耐荷重部品の製造に適している。Si元素を添加することにより、合金は中温で高い強度を維持し、これはTi−6Al−4Vよりも優れている。合金板は、室温で超塑性成形することができる。

Ti-10V-2Fe-3Al(TB6)は、1970年代後半に開発された高強度、高靭性ニアベータチタン合金です。この合金は、高い比強度、良好な破壊靭性、大きな硬化面積、小さな異方性、良好な鍛造性能および強い耐食性の利点を有し、β αチタン合金を失うことなく準安定βチタン合金の多くの利点を有する。固溶特性は、損傷公差設計と高い構造効率、高信頼性、低コストの要件を満たすことができます。最高動作温度は320°Cです。 この合金の主な製品は、バー、鍛造品、厚板およびプロファイルです。溶体化熱処理と時効熱処理により、強度、可塑性、破壊靭性の良好なマッチングが達成でき、強度と破壊靭性に対する高い要求を持つ構造部品の製造に適しています。熱機械処理により優れた靭性と低い亀裂進展速度を得ることができ、高い破壊靭性が要求される構造に適しています。